メスバウアー効果

メスバウアー効果（メスバウアーこうか、英: Mössbauer effect）とは、1958年にルドルフ・メスバウアーによって発見された結晶体状のガンマ線放射線源とその吸収体の間に発生する共鳴吸収現象を言う^[1]。

メスバウアー効果により、光のドップラー効果を極めて高い精度で検出することができるようになった。また、分光法の一つの手法であるメスバウアー分光法（Mössbauer spectroscopy）の原理でもある。

概要

原子核がガンマ線を放射し、もう一方の同じ原子核がそのガンマ線を共鳴吸収する現象をメスバウアー効果（Mössbauer effect）と呼ぶが、ガンマ線のエネルギーは一般に大きく、放射あるいは吸収過程で原子核が反跳するためにエネルギーが変化して周波数がずれるために共鳴は極めて起こり難く^[2]、気体や液体状態中の原子核同士では共鳴は起こらない^[3]。

1958年に当時博士課程の学生であったルドルフ・メスバウアーは、ガンマ線の放射線源であるイリジウム191を結晶中に束縛させてさらに冷却することで（単一の原子核の質量を結晶格子に対する大きな有効質量に置き換えて）、原子核の反跳効果そのものを実質的に無くして、原子間の共鳴吸収現象を発生させることに成功した^[4]。

メスバウアーによるイリジウム191によるメスバウアー効果の発見後、他にも共鳴吸収現象を起こす原子核が発見された。今日では、メスバウアー効果を観測するのに最も都合のよい物質として鉄57（⁵⁷Fe）が知られている^[5]。

メスバウアー効果は極めて鋭敏な（Q値の高い）共鳴効果であり、放射線源または吸収体のわずかな相対運動によって共鳴吸収現象が起こらなくなる。これは、光のドップラー効果を検出するにあたって非常に都合のよい性質であり、メスバウアー効果の発見以前には到底実験による検出は不可能と考えられていた現象（たとえば地球上の重力による赤方偏移）も検証ができるようになった。

理論

反跳によって失われるエネルギーE_Rは、運動量保存則とエネルギー保存則より、

E_{R}={\frac {E_{\gamma }^{2}}{2Mc^{2}}}

ここで E_γはガンマ線のエネルギー、M は放射または吸収を行う物体の質量、c は光速度である。

気体の場合、吸収・放射を行うのは原子であり、質量は非常に小さい。その結果気体によるガンマ線の共鳴は起こりにくい。X線の場合、光子のエネルギーはガンマ線のエネルギーに比べてずっと小さいので、失われるエネルギーも小さい。

固体ではフォノンのエネルギーが反跳エネルギーよりも大きいので、ガンマ線を共鳴吸収できる。メスバウアー効果はメスバウアー分光法として、固体の結合状態を調べるのに利用される。例えばよく用いられるFeの分光では、Feの価数、高スピンなのか低スピンなのか、またその配位数などに応じてピーク位置が変わるため、得られた結果を標準的なピークの足し合わせとして解釈することで、試料中でFeがどのような状態にいるのかを解明することができる。

脚注

^ 共鳴吸収現象が発生すること自体は1953年にP.B.ムーンとA.ストラストによって水銀について明らかにされていた。メスバウアーはガンマ線の放出に伴う原子核（イリジウム191）の反跳効果を、その原子を結晶の結合でつなぎ止めた上でその結晶を冷却することで防ぐことに成功した。なお、イリジウム191では冷却が必要であったが、後に鉄57を用いることで室温でも十分な効果が観測できることが判明した。
^ 量子力学的な原子核からの電磁波の放出（光子の放出）によって、ちょうど弾丸を発射した銃のように反対方向に跳ね飛ばされる。これを反跳（recoil）と呼ぶ。反跳によって原子核は電磁波のエネルギーの一部を持ち去るため、同一物質同士であっても放出される電磁波の振動数と物質が吸収する電磁波の振動数は一致しない。講談社(1972) p.189
^ 那須(2004)
^ しかしそれ以前に、1953年にバーミンガム大学の P.B. ムーン（Philip Burton Moon）と A. ストラストは、励起した水銀を遠心分離機の腕に固定し回転させることで、反跳現象による周波数の低下を運動速度で相殺させることで（接近する向きに運動する場合はドプラー効果により周波数が増すので）、実際に静止した水銀との間で共鳴現象が発生することを発見していた。
^ 例えば、イリジウム191であれば結晶中に束縛した上に、さらに冷却をする必要もあるが、鉄57の場合には結晶の温度が室温であっても共鳴がかなりの強度で起こる。